一種泥沙淤積物在大水壓力下干容重變化的試驗裝置及其試驗方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了泥沙淤積物在大水壓力下干容重變化的試驗裝置及其方法，該裝置由殼體、試驗筒、加壓系統(tǒng)、連通管、玻璃觀察窗、照相機(jī)和計算機(jī)組成。其中，殼體為試驗裝置的主體，由優(yōu)質(zhì)碳鋼鑄造；試驗筒為不銹鋼圓筒，澆筑在殼體中，加壓系統(tǒng)為多個U型不銹鋼管組合；連通管為不銹鋼管，連接加壓U型管、試驗筒、加水管和加料管；該方法采用該裝置進(jìn)行，采用在U型加壓管中注水銀，由其產(chǎn)生大的壓力差疊加模擬深水水壓，分別觀測試驗筒和U型加壓管；計算機(jī)采用U型加壓管和試驗筒的圖像，測定U型管中水銀柱的高差和試驗筒中泥沙界面的變化過程。本發(fā)明可得出300m水壓力下淤積物干容重的變化過程，對特大型水庫的運(yùn)行管理具有重要的生產(chǎn)應(yīng)用值。
【專利說明】一種泥沙淤積物在大水壓力下干容重變化的試驗裝置及其試驗方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于水利水電工程的試驗研究領(lǐng)域，特別涉及大水壓力下淤積物干容重變化的試驗裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在大型水庫的運(yùn)行中，泥沙在水庫中淤積。隨著時間的變化，淤積物的干容重亦隨之變化。在計算水庫排沙比時，主要以水庫上游水文站測量的入庫泥沙重量與庫內(nèi)淤積泥沙重量之差來確定。在實際觀測中，只能測量庫內(nèi)的泥沙淤積體積，乘以干容重才能得出水庫淤積的沙重，所以淤積物的干容重是關(guān)鍵的參數(shù)。
[0003]在大型水庫中，淤積在河床中的泥沙多數(shù)都很細(xì)，如三峽水庫常年回水區(qū)床面淤積的泥沙，中值粒徑約為0.003?0.015_。由于極細(xì)泥沙的干容重是隨時間緩慢變化的，與水深亦有直接的關(guān)系，原型觀測在IOOm水深以下采樣的難度很大，且容易擾動河床而影響測量精度。再是泥沙淤積也是隨時間逐漸淤厚的，原型觀測極難確定淤積物的哪一層是某一段時間淤積的，即難以得出淤積物的干容重隨時間的變化過程。
[0004]我國已規(guī)劃了數(shù)十座特大型水電站工程，如正在修建的雅礱江下游的錦屏一級水電站、金沙江下游的白鶴灘和溪洛渡水電站的壩高均為300m的量級。
[0005]在現(xiàn)有的室內(nèi)試驗中，很難模擬大水壓力的試驗條件。故如何設(shè)計一種可以模擬大水壓力情況以及不同水壓力情況進(jìn)行泥沙淤積物干容重變化試驗的技術(shù)，以使人們可以研究探索泥沙淤積物在不同水壓力情況的干容重變化情況，成為有待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對上述問題和不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:怎樣提供一種可以模擬大水壓力情況以及不同水壓力情況進(jìn)行泥沙淤積物干容重變化試驗的泥沙淤積物在大水壓力下干容重變化的試驗裝置及其試驗方法。
[0007]為了解決上述問題，本發(fā)明采用了以下的技術(shù)方案:
[0008]一種泥沙淤積物在大水壓力下干容重變化的試驗裝置，其特征在于，包括殼體和攝像系統(tǒng)，殼體內(nèi)并列固定有一排豎向設(shè)置的試驗筒，每個試驗筒后方豎向設(shè)置有數(shù)個并列的U形差壓管，U形差壓管上端首尾依次連通形成整體呈倒S形延伸的管道，每個試驗筒連同其后方的U形差壓管構(gòu)成一個試驗單元；每個試驗單元中，U型差壓管上端均連通設(shè)置有注水管，試驗筒上端連通設(shè)置有加料管；殼體一側(cè)還設(shè)置有加壓管，加壓管和該側(cè)的第一個試驗單元的第一個U型差壓管的進(jìn)口側(cè)上端連接，并通過管道與第一個試驗筒連通；前一個試驗單元的最后一個U型差壓管出口側(cè)上端通過管道與下一個試驗單元的加料管9的相連通，同時還通過管道與下一個試驗單元的第一個U型差壓管進(jìn)口側(cè)上端相連通，最后一個試驗單元的最后一個U型差壓管出口側(cè)上端與大氣連通；每個試驗單元中，試驗筒前方表面和U形差壓管后方表面均沿整個高度方向設(shè)置有用于攝像的觀察縫隙且采用透明材料密封該觀察縫隙；所述攝像系統(tǒng)包括正對殼體前方和后方設(shè)置的兩個相機(jī)，以及和兩個相機(jī)相連的計算機(jī)。
[0009]作為優(yōu)化，包括10個試驗單元，每個試驗單元高h(yuǎn)=1000mm左右，寬b=140mm左右，試驗筒直徑D=120mm左右，并具有3個U型加壓管。這樣，可以直接模擬300m水壓力下各種不同深度的水庫泥沙淤積物的干容重隨時間的變化過程。
[0010]本發(fā)明還公開了一種泥沙淤積物在大水壓力下干容重變化的試驗方法，其特點在于，包括以下步驟:
[0011]a、獲取如上述結(jié)構(gòu)的試驗裝置；
[0012]b、每個試驗單元中，均從注水管往各U型差壓管的下半部加注水銀，上半部注滿清水，從加料管往試驗筒內(nèi)加攪拌均勻的泥漿(泥沙淤積物)，泥漿占試驗筒下部的80%，其上加清水，并保證各連通管道和加壓管內(nèi)均注滿清水，各注水管和加料管注滿水后進(jìn)口處密封；
[0013]C、在加壓管進(jìn)口端通過一加壓控制閥連接一個以水為介質(zhì)的加壓系統(tǒng)；通過該加壓系統(tǒng)進(jìn)行加壓，驅(qū)動U型差壓管內(nèi)形成水銀柱壓差，水銀柱壓差作用于試驗筒內(nèi)的泥沙淤積物，并通過壓差累積作用使得各試驗筒形成從遠(yuǎn)到近承受從小到大的不同倍數(shù)壓力；
[0014]d、當(dāng)按照設(shè)定的壓強(qiáng)加壓完成后，關(guān)閉加壓控制閥封閉住加壓管進(jìn)口端以維持壓力穩(wěn)定，使得整個系統(tǒng)保持穩(wěn)定的狀態(tài)；用相機(jī)定期拍攝水銀柱壓差的圖像以及試驗筒泥面變化過程的圖像；計算機(jī)采集兩臺相機(jī)的圖像進(jìn)行比尺換算后得出U型差壓管中水銀柱的高差和試驗筒中泥沙界面的變化過程，試驗過程中定時記錄溫度；根據(jù)水銀柱高差計算出承受壓力大小，根據(jù)試驗筒泥面的高低變化可計算淤泥體積的變化再計算出不同時刻淤泥的干容重，并可以建立起考慮溫度影響的淤積泥沙干容重與水壓力的關(guān)系。
[0015]本發(fā)明的方法，利用水銀壓差的累積，模擬出大水壓力的試驗條件，能夠直接模擬300m水壓力下各種不同深度的水壓情況，以得到不同深度的水庫泥沙淤積物的干容重隨時間的變化過程，再通過相機(jī)采集數(shù)據(jù)后，即可計算并建立起考慮溫度影響的淤積泥沙干容重與水壓力的關(guān)系；以便于人們可以研究探索泥沙淤積物在深水高壓以及不同水深情況的干容重變化情況；故本發(fā)明具有獨創(chuàng)性和重要性。
[0016]作為優(yōu)化，所述a步驟中試驗裝置采用以下方法制備:殼體用優(yōu)質(zhì)碳鋼鑄造，鑄造時試驗筒采用不銹鋼圓筒，筒內(nèi)填充沙粒并固定在殼體正面的沙模中；各U型差壓管、加壓管、各種連通用管道及充水管和加料管均用不銹鋼管加工，并預(yù)先按照結(jié)構(gòu)要求連接好后在管內(nèi)填充沙粒后固定在殼體沙模的相應(yīng)位置，U型差壓管布置在殼體的背面；澆鑄殼體時將各部件澆鑄在一起，使其與殼體成為一個整體，掏出各管內(nèi)的填充沙粒后即成為試驗裝置的主體結(jié)構(gòu)；再將殼體的正面銑槽，高度和寬度覆蓋全部試驗筒，銑槽深度為試驗筒銑掉四分之一左右圓弧；同時在殼體背面銑槽，高度和寬度與正面銑槽相同，深度至U型差壓管銑掉四分之一左右圓弧；將相同高度和寬度的鋼化玻璃分別嵌在正面槽和背面槽內(nèi)，用鋼條壓緊并將試驗筒和U型差壓管被銑掉處密封，成為拍攝照片的觀察窗。
[0017]這樣，優(yōu)化后的制備方法，具有易于實施，成本低廉，制得裝置整體性好的優(yōu)點，保證了試驗的正常進(jìn)行。
[0018]綜上所述，本發(fā)明可以模擬大水深情況以及不同水深情況進(jìn)行泥沙淤積物干容重變化試驗，使人們可以研究探索泥沙淤積物在不同水深情況的干容重變化情況，進(jìn)而為庫區(qū)航道建設(shè)，清淤處理，大型水庫的運(yùn)行管理等工作的開展提供了理論依據(jù)，具有重要的生產(chǎn)應(yīng)用價值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1(a)為具體實施時本發(fā)明的試驗裝置的背面局部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖1 (b)為具體實施時本發(fā)明的試驗裝置的側(cè)面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖1 (C)為具體實施時本發(fā)明的試驗裝置的正面局部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖2為具體實施時本發(fā)明的試驗裝置的殼體頂平面局部結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖3為具體實施時本發(fā)明的試驗裝置的正面結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖4為本具體實施時發(fā)明的試驗裝置的背面結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0025]下面結(jié)合附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進(jìn)一步說明。
[0026]具體實施時，一種泥沙淤積物在大水壓力下干容重變化的試驗裝置，其結(jié)構(gòu)示意如圖1-圖4，圖1 (a)為背面圖，圖1 (b)為側(cè)面圖，圖1 (C)為正面圖。圖1 (C)右側(cè)兩個單元的虛線為背面的U型加壓管2，圖中ml，m2，m3……mlO為試驗單元編號。圖2為殼體頂平面部分示意圖。
[0027]試驗裝置主要由殼體、試驗筒、U型差壓管、加壓管、連通管、玻璃觀察窗、照相機(jī)、計算機(jī)和連接的加壓設(shè)備組成。其中，多個U型差壓管2為一組，每個U型差壓管2上端首尾相連依次連通形成整體呈倒S形延伸的管道。正面與背面對齊的一個試驗筒I和一組U型差壓管2組成一個試驗單元。加壓管3與第一試驗單元的第一個U型差壓管2的上端連接，并通過連通管4與第一個試驗筒I連通；前一個試驗單元的最后一個U型差壓管2上端通過連通管5和連通管6與下一個試驗單元的加料管9的中部相連，同時通過連通管7與下一個試驗單元的第一個U型管2上端相連。同一單元的各個U型差壓管2上端設(shè)注水管8，試驗筒上方設(shè)加料管9。照相機(jī)12正對觀察窗10，照相機(jī)13正對觀察窗11 ;照相機(jī)安裝固定后，標(biāo)定照相機(jī)像素的物理尺寸。計算機(jī)14用于采集試驗筒I和U型加壓管2的圖像。15為固定觀察窗玻璃壓條的螺孔，16為以水為介質(zhì)的加壓系統(tǒng)，17為加壓控制閥。
[0028]試驗裝置制造時，殼體用優(yōu)質(zhì)碳鋼鑄造；試驗筒I為不銹鋼圓筒，筒內(nèi)填充沙粒并固定在殼體正面的模型中；U型差壓管2、加壓管3、各種連通管4、5、6、7及充水管8、加料管9均用不銹鋼管加工，管內(nèi)填充沙粒后固定在殼體沙模的相應(yīng)位置，U型差壓管2布置在殼體的背面。澆鑄殼體時將各部件澆鑄在一起，使其與殼體成為一個整體，掏出各管內(nèi)的填充沙粒后即成為試驗裝置的主體結(jié)構(gòu)。
[0029]將殼體的正面銑槽18，高度和寬度覆蓋全部試驗筒，銑槽深度為試驗筒I銑掉四分之一圓??；在殼體背面銑槽19，高度和寬度與正面銑槽18相同，深度至銑掉U型差壓管2的四分之一圓弧。將相同高度和寬度的鋼化玻璃分別嵌在正面槽18和背面槽19內(nèi)，用鋼條壓緊并將試驗筒和U型差壓管被銑掉處密封，成為拍攝照片的觀察窗11和12。
[0030]將殼體上部的各注水管8、加料管9的管口加工成螺扣，用于密封。
[0031]為保證安全和減少長期試驗溫度變化的影響，試驗裝置應(yīng)安裝在地下室中。
[0032]試驗裝置加工完成后，從注水管往U型管的下半部加注水銀，上半部注清水；從加料管9往試驗筒I內(nèi)加攪拌均勻、濃度較高的泥漿，泥漿占試驗筒I下部的80%，其上加清水，并保證連通管5、6、7內(nèi)注滿清水,各管段注滿水后注水管8、加料管9的管口用螺桿密封。加壓管3和連通管4也注滿清水。
[0033]加壓系統(tǒng)16通過加壓管3從第一個試驗單元的第一支U型差壓管2上端施加水壓力，并驅(qū)動U型加壓管2內(nèi)形成水銀柱壓差A(yù)hm，則一個U型差壓管2所產(chǎn)生的水頭差為:
【權(quán)利要求】
1.一種泥沙淤積物在大水壓力下干容重變化的試驗裝置，其特征在于，包括殼體和攝像系統(tǒng)，殼體內(nèi)并列固定有一排豎向設(shè)置的試驗筒，每個試驗筒后方豎向設(shè)置有數(shù)個并列的U形差壓管，U形差壓管上端首尾依次連通形成整體呈倒S形延伸的管道，每個試驗筒連同其后方的U形差壓管構(gòu)成一個試驗單元；每個試驗單元中，U型差壓管上端均連通設(shè)置有注水管，試驗筒上端連通設(shè)置有加料管；殼體一側(cè)還設(shè)置有加壓管，加壓管和該側(cè)的第一個試驗單元的第一個U型差壓管的進(jìn)口側(cè)上端連接，并通過管道與第一個試驗筒連通；前一個試驗單元的最后一個U型差壓管出口側(cè)上端通過管道與下一個試驗單元的加料管9的相連通，同時還通過管道與下一個試驗單元的第一個U型差壓管進(jìn)口側(cè)上端相連通，最后一個試驗單元的最后一個U型差壓管出口側(cè)上端與大氣連通；每個試驗單元中，試驗筒前方表面和U形差壓管后方表面均沿整個高度方向設(shè)置有用于攝像的觀察縫隙且采用透明材料密封該觀察縫隙；所述攝像系統(tǒng)包括正對殼體前方和后方設(shè)置的兩個相機(jī)，以及和兩個相機(jī)相連的計算機(jī)。
2.如權(quán)利要求1所述的泥沙淤積物在大水壓力下干容重變化的試驗裝置，其特征在于，包括10個試驗單元，每個試驗單元高h(yuǎn)=1000mm,寬b=140mm,試驗筒I直徑D=120mm,并具有3個U型加壓管。
3.—種泥沙淤積物在大水壓力下干容重變化的試驗方法，其特征在于，包括以下步驟: a、獲取如權(quán)利要求1或2所述結(jié)構(gòu)的試驗裝置； b、每個試驗單元中，均從注水管往各U型差壓管的下半部加注水銀，上半部注滿清水，從加料管往試驗筒內(nèi)加攪拌均勻的泥漿(泥沙淤積物)，泥漿占試驗筒下部的80%，其上加清水，并保證各連通管道和加壓管內(nèi)均注滿清水，各注水管和加料管注滿水后進(jìn)口處密封； C、在加壓管進(jìn)口端通過一加壓控制閥連接一個以水為介質(zhì)的加壓系統(tǒng)；通過該加壓系統(tǒng)進(jìn)行加壓，驅(qū)動U型差壓管內(nèi)形`成水銀柱壓差，水銀柱壓差作用于試驗筒內(nèi)的泥沙淤積物，并通過壓差累積作用使得各試驗筒形成從遠(yuǎn)到近承受從小到大的不同倍數(shù)壓力； d、當(dāng)按照設(shè)定的壓強(qiáng)加壓完成后，關(guān)閉加壓控制閥封閉住加壓管進(jìn)口端以維持壓力穩(wěn)定，使得整個系統(tǒng)保持穩(wěn)定的狀態(tài)；用相機(jī)定期拍攝水銀柱壓差的圖像以及試驗筒泥面變化過程的圖像；計算機(jī)采集兩臺相機(jī)的圖像進(jìn)行比尺換算后得出U型差壓管中水銀柱的高差和試驗筒中泥沙界面的變化過程，試驗過程中定時記錄溫度；根據(jù)水銀柱高差計算出承受壓力大小，根據(jù)試驗筒泥面的高低變化可計算淤泥體積的變化再計算出不同時刻淤泥的干容重，并可以建立起考慮溫度影響的淤積泥沙干容重與水壓力的關(guān)系。
4.如權(quán)利要求3所述的試驗方法，其特征在于，所述a步驟中試驗裝置采用以下方法制備:殼體用優(yōu)質(zhì)碳鋼鑄造，鑄造時試驗筒采用不銹鋼圓筒，筒內(nèi)填充沙粒并固定在殼體正面的沙模中；各U型差壓管、加壓管、各種連通用管道及充水管和加料管均用不銹鋼管加工，并預(yù)先按照結(jié)構(gòu)要求連接好后在管內(nèi)填充沙粒后固定在殼體沙模的相應(yīng)位置，U型差壓管布置在殼體的背面；澆鑄殼體時將各部件澆鑄在一起，使其與殼體成為一個整體，掏出各管內(nèi)的填充沙粒后即成為試驗裝置的主體結(jié)構(gòu)；再將殼體的正面銑槽，高度和寬度覆蓋全部試驗筒，銑槽深度為試驗筒銑掉四分之一圓?。煌瑫r在殼體背面銑槽，高度和寬度與正面銑槽相同，深度至U型差壓管銑掉四分之一圓?。粚⑾嗤叨群蛯挾鹊匿摶ＡХ謩e嵌在正面槽和背面槽內(nèi)，用鋼條壓緊并將試驗筒和U型差壓管被銑掉處密封，成為拍攝照片的觀 察窗。
【文檔編號】G01N9/36GK103558121SQ201310562922
【公開日】2014年2月5日 申請日期:2013年11月11日 優(yōu)先權(quán)日:2013年11月11日
【發(fā)明者】胡江, 鐘強(qiáng), 任海濤, 王興奎 申請人:重慶交通大學(xué)